嵌入式智能无线接入点系统的设计
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摘要:该文提出了一种支持蓝牙、IEEE 802.11b和GPRS三种不同的无线接入方式的智能无线接入点(AP)系统的实现方案。设计了在嵌入式Linux平台上智能无线AP的软硬件,重点讨论了蓝牙WPAN与Internet/GPRS以及WLAN的互连。
关键词:智能接入点;蓝牙;IEEE 802.11b;GPRS;嵌入式Linux
中图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)01-72-02
An Embeded Scheme of Intelligent Wireless AP
HU Bing
(School of Electronic Science & Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)
Abstract: This paper proposes a scheme of intelligent wireless access point system which provides bluetooth, IEEE 802.11b and GPRS, three different kind of wireless access services and developes the software and hardware of the intelligent wireless access point equipment based on the embeded Linux platform. Moreover, the interconnection between the Bluetooth WPAN and Internet/GPRS and WLAN is particularly discussed.
Key words: intelligent AP; bluetooth; IEEE 802.11b; GPRS; embedded Linux
近年来,随着无线通信技术的快速发展,人类对信息通信的需求急速扩张。为了适应不同的需求,各具特色的无线接入网络技术层出不穷[1],包括无线个域网(WPAN)、无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)、以及无线广域网(WWAN)等。这些接入网络在应用背景、目标、发展方向、系统结构、覆盖范围、通信协议、链路特性、应用场景和业务提供能力等方面都大不相同,组成了典型的分层无线通信网络[2-5]。因而,不同技术的无线网络的融合将会大大提高系统的容量,缓解当前日益严峻的频谱资源紧张的问题,为用户提供多种接入方式、多种传输速率和高质量的无线网络服务[6]。本文设计的智能无线AP系统,可以在一定程度上实现WPAN、WLAN和GPRS三种无线网络的融合。
1 智能无线AP系统的总体结构
智能无线AP系统可以分为接入点设备和终端设备两部分。其中终端设备主要包含WLAN 终端和WPAN终端,接入点设备主要包含处理核心、外网接入模块以及与各种终端设备对应的内网接入模块。考虑到本系统的实用性和兼容性,因此对于内网的WLAN接入方式,选择采用具有代表性的 IEEE 802.11 b/g;对于WPAN 接入方式,选择采用 Bluetooth。考虑到本系统的外网接入方式需要具有通用性,因此选择以太网和GPRS网络作为接入 Internet 的方式。由此,可以得到如图1所示的智能无线AP系统总体方案示意图。在本系统中,IEEE802.11 b/g和Bluetooth终端以无线方式接入系统,并选择通过有线以太网或GPRS接入Internet。
2 智能无线AP的设计
智能无线AP要能够与多种不同接入方式的终端建立无线连接,同时要能够接入外部数据网络。所以,智能无线AP需要具备如下5个功能:
1) 无线AP需要提供IEEE 802.11 b/g和Bluetooth接入功能,能够区分新申请接入终端的类型并进行鉴权,允许通过鉴权的终端与AP上对应的接入模块建立连接;
2) 无线AP必须能够接入 Internet、GSM/GPRS蜂窝网,并能够设定外网接入时的优先级顺序;
3) 对于通过接入点鉴权过程的终端设备,无线AP上应该保留其登记信息。如果此终端再次进入接入点的覆盖范围时,则能够自动查找到以前的登记信息并跳过鉴权过程而直接与接入点建立连接;
4) 对于已连接的终端设备离开无线网络覆盖范围时,无线AP必须能够在一定时延内感知该事件并根据相关协议断开该连接,释放其接入外部网络时所占用的各种资源;
5) 无线AP应能够区分通信过程中数据终端的类型。
2.1 硬件设计
根据上述的五个功能,本文设计了如图2所示的智能无线AP硬件结构。其中微处理器(MPU)为接入点的处理核心,负责支撑操作系统(OS)的运行并在其基础上驱动各个通信模块,运行不同通信模块所需的驱动程序和协议栈。MPU左边的两个通信模块分别为Bluetooth收发模块和IEEE 802.11无线网卡,这是两个终端接入模块,分别提供两种终端的接入功能,对应于第一项功能。MPU右边的两个通信模块分别为GSM/GPRS无线收发模块和以太网接口,是两个外网接入模块,使得接入点能够接入外部数据网络,对应于上述的第二项功能。
本系统采用QQ2440V3开发板来构建硬件平台,其MPU为Samsung S3C2440A,有64MB SDRAM和64MB FLASH,而且具有丰富的外设接口:三个四线RS-232串口,一个USB Host接口,一个10M以太网RJ-45 接口等。Bluetooth收发模块为JS&T公司的BC04蓝牙模组;GPRS模块为SIEMENS公司的GSM/GPRS模块MC39i;802.11b无线网卡选取VIA公司的VT6656无线网卡,可以同时支持AP模式和Ad-Hoc模式。
2.2 软件设计
智能无线AP的第三、四、五项功能需要通过运行于MPU的软件来实现。
本文中采用了嵌入式ARM-Linux作为无线AP的操作系统,并在此基础之上进行设备驱动与应用软件的开发。整个系统的软件框图如图3所示。
系统软件分为三层,第一层即最底层是硬件抽象层,包括 ARM-Linux中的一些驱动程序,主要有USB无线网卡驱动程序、蓝牙终端BC04和GSM/GPRS模块MC39i的串口驱动程序和以太网卡驱动程序等;中间层为嵌入式 Linux 操作系统中的文件系统和库函数等操作系统层面的软件,它支持 Ramdisk、JFS等文件系统和TCP/IP 等多种协议;最上层为应用层,包括了GPRS模块拨号程序、蓝牙协议栈及应用程序、无线网卡配置程序和系统监控等应用程序。
3 系统的实现
3.1 蓝牙个域网访问应用框架
蓝牙个域网系统定义了三种应用场景[7]:网络接入点(NAP)方式,Ad-Hoc组网方式和两个个域网用户(PANU)直接连接方式,本系统实现的是NAP方式。NAP应用场景中NAP提供的服务之一是为与其连接的其它设备提供其它网络接入的功能,而蓝牙个域网无论接入Internet、蜂窝网络还是公共或私有的WLAN,都需要用IP承载,为了使用蓝牙技术实现无线个域网,一个关键且必须的特性就是能够非常有效地承载 IP,可以传进、传出以及在蓝牙个域网中交换IP包。NAP方式的协议栈结构分别如图4所示。
NAP协议栈中所使用到的蓝牙协议包括 HCI、L2CAP、LMP、SDP、管理实体(ME)等。除ME外,其余各协议在蓝牙标准中都有明确说明,而ME负责协调在初始化、配置和链路管理过程中所涉及的一系列操作,由具体应用自行编写。BNEP协议是蓝牙特殊兴趣小组BSIG针对蓝牙个域网应用加入的协议[8],对上层提供类似于以太网的接口,可以和IEEE802.3以太网封装支持同样的上层网络协议。在BNEP协议的支持下,使得NAP中的数据包转发可以通过IP层,从而保持IP独立于链路层并使下层蓝牙链路传输可以看作和以太网完全相同。在协议栈中,上层网络协议的包封装在BNEP的包中,直接通过蓝牙L2CAP层传输。由NAP协议栈可知,BNEP协议是实现NAP应用场景的关键。
3.2 蓝牙WPAN与Internet/GPRS网络的互连
蓝牙WPAN网络内部的节点并无外部的网络连接,要通过智能无线AP与外网(Internet、GPRS网络)或WLAN互联。因此,蓝牙WPAN内的节点要接入Internet,PANU 节点必须首先接入NAP,再通过无线AP接入外部网络。AP对PANU节点提供网络接入服务,PANU节点与外部网络的通信的数据包均通过AP进行转发,蓝牙和外部网络通信的协议栈如图5所示。
3.3 蓝牙WPAN与WLAN的互连
智能无线AP可以做为蓝牙网络与WLAN的网桥。无线AP允许蓝牙设备访问网络并共享WLAN资源,进而可以通过有线局域网连入Internet。提供NAP服务的蓝牙设备将WLAN分组在与其相连的蓝牙设备间转发。无线AP与PANU之间使用BNEP来交换数据。同时在无线AP中使用网络地址转换(NAT),可以实现不同网段间数据包的转发,以支持WPAN和WLAN的互联,实现简单的路由功能。蓝牙设备与无线局域互连的协议栈如图6所示。
4 结束语
随着无线技术与网络技术的发展以及第3代移动通信网络技术在全球范围内逐步开始商用,越来越多的研究学者和厂商开始认识到[9]:未来的无线网络不可能像第3代移动通信网络研究之初人们所设想的那样:由某一种特别先进的无线技术所组成的统一技术、统一管理的网络,而只能是多种技术、多种网络互相融合所形成的具有多种接入方式、提供多种传输速率和多种服务质量要求的多种业务的异构网络的联合体。为了适应不同的通信环境以及满足用户业务的宽带化、个性化、智能化的需求,异构网络融合已经成为下一代通信网络发展的必然趋势。该文设计的的智能无线AP系统,能够蓝牙、IEEE 802.11b和GPRS三种不同的无线网络相互融合,这将在一定程度上满足人们的通信需求。
参考文献:
[1] H.Anthony paring Wireless Data Network Standards[C].AFRICON 2007:1-15.
[2] /.
[3] IEEE802.11b-1999 Supplement to 802.11-1999,Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer (PHY) extension in the 2.4 GHz band[EB/OL].IEEE Standards Association,1999.
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[5] Gunasekaran,Rama Reddy,Sairam.Bluetooth in wireless communication[J].IEEE Communications Magazine,2002,40(6):90-96.
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[7] BSIG,Personal Area Networking Profile[EB/OL].[2001-06-21].http:/groups/802/15/Bluetooth/PAN-Profile.pdf.
[8] BSIG.Bluetooth Network Encapsulation Protocol(BNEP)[EB/OL].[2001-05-06]./ groups802/15/Blue-tooth/BNEP.pdf.
[9] 陈山枝,时岩,胡博.移动性管理理论与技术的研究[J],通信学报,2007.